DE102017108170A1 - Water extraction device and method for obtaining water - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wassergewinnungsvorrichtung (1) zur Gewinnung von Wasser aus Umgebungsluft (4), mit einem Sorptionselement zur Sorption von Wasser aus einem aus der Umgebungsluft (4) gewonnenen Eingangsluftstrom (3) und zur Abgabe von Wasser an einen durch die Wassergewinnungsvorrichtung (1) geführten Feuchtluftstrom (7), wobei das Sorptionselement so angeordnet ist, dass es von dem Eingangsluftstrom (3) und den Feuchtluftstrom (7) durchströmt werden kann, mit einer Wärmezufuhreinrichtung (8) zur Erwärmung des Feuchtluftstroms (7), bevor dieser das Sorptionselement durchströmt, sodass die Abgabe von Wasser an den Feuchtluftstrom (7) verbessert wird, und mit einer ersten Kondensationsstufe (12), die einen Kondensator zur Gewinnung von Wasser aus dem Feuchtluftstrom (7) aufweist. Erfindungsgemäß weist die Wassergewinnungsvorrichtung (1) einen Kompressor (13) zur Verdichtung des Feuchtluftstroms (7) auf, der zwischen dem Sorptionselement und der ersten Kondensationsstufe (12) angeordnet ist, sodass aus dem Feuchtluftstrom (7) durch die erste Kondensationsstufe (12) Wasser gewonnen werden kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Wassergewinnung aus Umgebungsluft (4), bei dem erfindungsgemäß ein Feuchtluftstrom (7) verdichtet wird, bevor aus dem Feuchtluftstrom (7) bei einem ersten Kondensationsschritt (25) Wasser gewonnen wird.
The invention relates to a water extraction device (1) for recovering water from ambient air (4), comprising a sorption element for sorbing water from an input air stream (3) obtained from the ambient air (4) and for discharging water to a water extraction device (1) ) guided moist air flow (7), wherein the sorption element is arranged so that it can be traversed by the input air flow (3) and the moist air flow (7), with a heat supply means (8) for heating the moist air flow (7), before this sorption element flows through, so that the delivery of water to the moist air flow (7) is improved, and with a first condensation stage (12) having a condenser for recovering water from the moist air flow (7). According to the invention, the water extraction device (1) has a compressor (13) for compressing the moist air flow (7), which is arranged between the sorption element and the first condensation stage (12), so that from the damp air flow (7) through the first condensation stage (12) water can be won. The invention further relates to a method for obtaining water from ambient air (4), wherein according to the invention a moist air flow (7) is compressed before water is obtained from the moist air flow (7) in a first condensation step (25).
Description
Die Erfindung betrifft eine Wassergewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einem Eingangsluftstrom, mit einem Sorptionselement zur Sorption von Wasser aus dem Eingangsluftstrom und zur Abgabe von Wasser an einen durch die Wassergewinnungsvorrichtung geführten Feuchtluftstrom, wobei das Sorptionselement so angeordnet ist, dass es von dem Eingangsluftstrom und dem Feuchtluftstrom durchströmt werden kann, mit einer Wärmezufuhreinrichtung zur Erwärmung des Feuchtluftstroms, bevor dieser das Sorptionselement durchströmt, sodass die Abgabe von Wasser an den Feuchtluftstrom verbessert wird, und mit einer ersten Kondensationsstufe, die einen Kondensator zur Gewinnung von Wasser aus dem Feuchtluftstrom aufweist.The invention relates to a water extraction device for recovering water from an inlet air flow, comprising a sorption element for sorbing water from the inlet air flow and for delivering water to a wet air flow passed through the water extraction device, the sorption element being arranged to be separated from the inlet air flow and the water flow device Wet air flow can be flowed through, with a heat supply device for heating the moist air flow before it flows through the sorption, so that the delivery of water is improved to the moist air flow, and with a first condensation stage having a condenser for recovering water from the moist air flow.
Vorrichtungen und Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus einem üblicherweise aus der Umgebungsluft gewonnenen Eingangsluftstrom sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die Druckschrift
Diese Wassergewinnungsvorrichtung weist den Nachteil auf, dass eine Aufnahme von Wasser durch den Kondensator erst erfolgen kann, wenn die Temperatur des Luftstroms eine Taupunkttemperatur unterschreitet. Die Taupunkttemperatur bezeichnet diejenige Temperatur eines Luftgemisches, unterhalb deren Wasser aus dem Luftgemisch an Oberflächen beschlägt. Um mit dem Kondensator das Wasser aus dem Luftstrom abscheiden zu können muss der warme Luftstrom heruntergekühlt werden, wozu jedoch sehr viel Energie benötigt wird. Zudem muss der Luftstrom vor dem Durchströmen des Sorptionsrads erwärmt werden, um eine ausreichende Wassermenge aufnehmen zu können. Die Effizienz der Wassergewinnung aus einer Umgebungsluft wird durch die energieintensive Kühlung und Erwärmung des Luftstroms vorgegeben.This water extraction device has the disadvantage that a recording of water through the condenser can not take place until the temperature of the air flow falls below a dew point temperature. The dew point temperature refers to that temperature of an air mixture below which water from the air mixture fogs on surfaces. In order to be able to separate the water from the airflow with the condenser, the warm airflow has to be cooled down, which, however, requires a great deal of energy. In addition, the air flow must be heated before flowing through the Sorptionsrads to accommodate a sufficient amount of water can. The efficiency of recovering water from ambient air is dictated by the energy-intensive cooling and heating of the airflow.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Wassergewinnungsvorrichtung bereitzustellen, bei der auf eine energieintensive Kühlung des Luftstroms verzichtet werden kann und dennoch eine möglichst effiziente Wassergewinnung aus einem Eingangsluftstrom erfolgen kann.The present invention is therefore based on the object to provide a water extraction device in which can be dispensed with an energy-intensive cooling of the air flow and still the most efficient water extraction can be done from an input air flow.
Die Aufgabe wird durch die eingangs beschriebene Wassergewinnungsvorrichtung gelöst, die erfindungsgemäß so ausgebildet ist, dass sie einen Kompressor zur Verdichtung des Feuchtluftstroms aufweist, der zwischen dem Sorptionselement und der ersten Kondensationsstufe angeordnet ist.The object is achieved by the water extraction device described at the outset, which according to the invention is designed so that it has a compressor for compressing the moist air flow, which is arranged between the sorption element and the first condensation stage.
Durch die Verdichtung des mit dem aus dem Sorptionselement aufgenommenen Wasser beladenen Feuchtluftstroms wird die absolute Feuchtigkeit des Feuchtluftstroms erhöht und dadurch die nachfolgende Wasserentnahme in der ersten Kondensationsstufe begünstigt. Die absolute Feuchtigkeit des Feuchtluftstroms ist definiert als das Verhältnis der tatsächlich in einer Luftvolumeneinheit enthaltene Wasserdampfmasse zum Volumen. Die Verdichtung beeinflusst auch die relative Feuchtigkeit des Feuchtluftstroms, die definiert ist als das Verhältnis der absoluten Feuchtigkeit zu der maximalen Luftfeuchtigkeit des Feuchtluftstroms. Weiterhin wird durch die Verdichtung auch die Taupunkttemperatur des Feuchtluftstroms verändert. Durch eine geeignete Vorgabe der Luftmenge des Feuchtluftstroms und dessen Verdichtung vor der ersten Kondensationsstufe kann eine sehr energieeffiziente Wassergewinnung aus der Umgebungsluft erreicht werden.By compressing the moist air flow laden with the water absorbed from the sorption element, the absolute humidity of the moist air flow is increased and thereby the subsequent removal of water in the first condensation stage is promoted. The absolute humidity of the wet air flow is defined as the ratio of the water vapor mass actually contained in an air volume unit to the volume. The compression also affects the relative humidity of the wet air flow, which is defined as the ratio of the absolute humidity to the maximum humidity of the humid air flow. Furthermore, the condensation also changes the dew point temperature of the moist air flow. By a suitable specification of the amount of air of the moist air flow and its compression before the first condensation stage, a very energy-efficient extraction of water from the ambient air can be achieved.
Der Eingangsluftstrom kann unmittelbar aus der Umgebungsluft angesaugt werden. Der Eingangsluftstrom kann auch aus einem Abluftstrom oder aus einem Fortluftstrom einer Lüftungsanlage oder einer Luftkonditionierungsanlage sein. Es ist ebenfalls möglich, dass die Umgebungsluft oder ein Abluft- bzw. Fortluftstrom vorab in geeigneter Weise konditioniert wird, bevor der daraus erzeugte Eingangsluftstrom der Wassergewinnungsvorrichtung zugeführt wird.The inlet air stream can be sucked directly from the ambient air. The input air stream may also be from an exhaust air stream or from an exhaust air stream of a ventilation system or an air conditioning system. It is also possible that the ambient air or an exhaust air or exhaust air flow is conditioned in advance in a suitable manner, before the input air flow generated therefrom is supplied to the water extraction device.
Der Feuchtluftstrom kann auf eine vergleichsweise hohe Temperatur erwärmt werden, bevor er das Sorptionselement durchströmt. Dies ist vorteilhaft, da der Feuchtluftstrom mit einer erhöhten Temperatur mehr Wasser von dem Sorptionselement aufnehmen kann. Bei dem Sorptionselement kann es sich erfindungsgemäß um ein Sorptionsrad handeln. In dem Sorptionsrand kann ein die Adsorption von Wasser begünstigender Feststoff angeordnet sein. Es kann sich aber auch um eine sonstige Einrichtung handeln, die es erlaubt, Wasser aus dem Eingangsluftstrom aufzunehmen und an den Feuchtluftstrom abzugeben. So sind beispielsweise Rieselanlagen bekannt, bei denen eine geeignete Flüssigkeit an einer Oberfläche oder an einer Struktur herunterrieselt und der Eingangsluftstrom an der Oberfläche oder der Struktur vorbeiströmt, sodass Wasser aus dem Eingangsluftstrom an der herunterrieselnden Flüssigkeit absorbiert wird. Der ebenfalls das Sorptionselement durchströmende Feuchtluftstrom nimmt dann sorbiertes Wasser aus dem Sorptionselement auf und transportiert es zu der ersten Kondensationsstufe.The moist air flow can be heated to a comparatively high temperature before it flows through the sorption element. This is advantageous because the damp air flow at an elevated temperature can absorb more water from the sorbent element. According to the invention, the sorption element may be a sorption wheel. In the sorption edge, a solid which promotes the adsorption of water can be arranged. But it may also be another device that allows to absorb water from the inlet air stream and deliver it to the damp air flow. For example, trickle plants are known in which a suitable liquid trickles down on a surface or on a structure and the input airflow bypasses the surface or structure so that water from the input airflow is absorbed by the trickling fluid. The wet air stream, which also flows through the sorption element, then absorbs sorbed water from the sorption element and transports it to the first condensation stage.
Der Feuchtluftstrom weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens bei dem Durchgang durch das Sorptionselement eine kleinere Luftmassenströmung als der Eingangsluftstrom auf, vorzugsweise weniger als 50 % und gegebenenfalls weniger als 20 % der Luftmassenströmung des Eingangsluftstroms. Auf diese Weise kann eine höhere relative Feuchtigkeit des Feuchtluftstroms im Vergleich zu der relativen Feuchtigkeit des Eingangsstroms erzielt werden, wodurch die Wassergewinnung begünstigt wird.The moist air flow, according to an advantageous embodiment of the inventive concept in the passage through the sorption to a smaller mass air flow than the input air flow, preferably less than 50% and optionally less than 20% of the mass air flow of the input air flow. In this way, a higher relative humidity of the humid air flow compared to the relative humidity of the input stream can be achieved, whereby the water extraction is favored.
Der zwischen dem Sorptionselement und der ersten Kondensationsstufe angeordnete Kompressor dient dazu, den warmen Feuchtluftstrom vor der ersten Kondensationsstufe zu verdichten. Bei dem Kompressor kann es sich erfindungsgemäß um einen durch einen Verbrennungsmotor oder um einen durch einen Elektromotor angetriebenen Kompressor handeln. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet Kompressor beliebige Verdichter, mit denen eine Verdichtung eines Luftstroms bewirkt werden kann. Ein Kompressor kann beispielsweise auch durch aus der Wassergewinnungsvorrichtung ausgekoppelte Wärmeenergie oder durch Solarenergie betrieben werden.The compressor arranged between the sorption element and the first condensation stage serves to compress the warm moist air flow before the first condensation stage. According to the invention, the compressor may be a compressor driven by an internal combustion engine or by an electric motor. For the purposes of the present invention, compressor means any compressor with which a compression of an air flow can be effected. A compressor can also be operated, for example, by heat energy decoupled from the water extraction device or by solar energy.
Aus dem Kompressor tritt der verdichtete Feuchtluftstrom aus. Bei der ersten Kondensationsstufe kann durch einen Wärmeübertrager Wärme aus dem Feuchtluftstrom entzogen und abgeführt werden. Die abgeführte Wärme kann gegebenenfalls an einer anderen Stelle dem Feuchtluftstrom wieder zugeführt werden, um den Feuchtluftstrom beispielsweise vor dem Durchströmen durch das Sorptionselement aufzuheizen. Die erste Kondensationsstufe kann gegebenenfalls sogar Wasser aus dem Feuchtluftstrom aufnehmen, ohne dass eine energieintensive Kühlung des Feuchtluftstroms auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur erforderlich ist.From the compressor exits the compressed moist air flow. In the first condensation stage heat can be removed from the humid air flow and removed by a heat exchanger. The dissipated heat may optionally be supplied to the moist air flow at another point in order to heat the moist air flow, for example, before flowing through the sorption. If necessary, the first condensation stage can even take up water from the moist air flow without requiring energy-intensive cooling of the moist air flow to a temperature well below the ambient temperature.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist es möglich, dass die erste Kondensationsstufe durch einen Kühlfluidstrom gekühlt wird. Der Kühlfluidstrom kann gegebenenfalls aus der Umgebungsluft gewonnen werden, so dass lediglich eine Strömung erzeugt werden muss und auf eine gesonderte Kühlung mit Hilfe eines Kühlmittels oder zusätzlicher Kühlungsenergie verzichtet werden kann. Der Kühlfluidstrom kann auch ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeübertragungsmedium aufweisen, mit welchem eine effiziente Kühlung ermöglicht wird.According to an embodiment of the inventive concept, it is possible that the first condensation stage is cooled by a flow of cooling fluid. If appropriate, the cooling fluid flow can be obtained from the ambient air, so that only one flow has to be generated and a separate cooling with the aid of a coolant or additional cooling energy can be dispensed with. The cooling fluid stream may also include a liquid or gaseous heat transfer medium that allows for efficient cooling.
Erfindungsgemäß kann die Wassergewinnungsvorrichtung mindestens eine Strömungsmaschine aufweisen, die eine Strömungsbewegung des Eingangsluftstroms, des Feuchtluftstroms und/oder Kühlfluidstroms bewirkt oder unterstützt. Bei der Strömungsmaschine handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um einen Ventilator oder um eine Turbine.According to the invention, the water extraction device may comprise at least one turbomachine which causes or supports a flow movement of the input air flow, the wet air flow and / or the cooling fluid flow. In the turbomachine according to a preferred embodiment of the invention is a fan or a turbine.
Die Wärmezufuhreinrichtung der Wassergewinnungsvorrichtung kann erfindungsgemäß als eine Heizeinrichtung ausgebildet sein. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise als eine elektrische Heizeinrichtung mit einem Heizleiter, als eine Verbrennungseinrichtung oder als eine sonstige Heizeinrichtung ausgeführt sein. Die Heizeinrichtung kann ebenfalls mit Solarenergie betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Heizeinrichtung kann die Wärmezufuhreinrichtung als ein Zufuhrkanal ausgebildet sein, durch den dem Feuchtluftstrom Wärme zugeführt werden kann, die beispielsweise an einem anderen Bereich innerhalb der Wassergewinnungsvorrichtung erzeugt und in den Zufuhrkanal eingekoppelt wird. Die Wärme kann dabei beispielsweise mittels eines Wärmeträgermediums übertragen werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass dem Feuchtluftstrom extern erzeugte Heizluft oder warme Abgasluft zugeführt wird. Ferner kann die Wärmezufuhreinrichtung erfindungsgemäß als ein Wärmeleitelement ausgebildet sein, das mit einer externen Wärmequelle verbindbar ist. Bei der externen Wärmequelle kann es sich beispielsweise um einen Sonnenkollektor oder um eine sonstige externe Wärmequelle handeln.The heat supply device of the water extraction device can be designed according to the invention as a heating device. The heating device can be embodied, for example, as an electrical heating device with a heating conductor, as a combustion device or as another heating device. The heater can also be powered by solar energy. Alternatively or in addition to a heating device, the heat supply device may be formed as a supply channel through which heat can be supplied to the damp air flow, which is generated for example at another area within the water extraction device and coupled into the supply channel. The heat can be transmitted for example by means of a heat transfer medium. According to the invention, it is possible that the moist air flow externally generated heating air or warm exhaust air is supplied. Furthermore, according to the invention, the heat supply device can be designed as a heat conducting element, which can be connected to an external heat source. The external heat source can be, for example, a solar collector or another external heat source.
Mittels der Wassergewinnungsvorrichtung kann eine stationär betreibbare und/oder eine mobile Wassergewinnung aus der Atmosphäre bzw. aus der Umgebungsluft oder aber aus einem bereits in irgend einer Weise konditionierten Abluft- oder Fortluftstrom betrieben werden. Insbesondere ist auch eine Wassergewinnung aus der Abluft von Klimaanlagen oder eine Wasserrückgewinnung bei industriellen Prozessen oder eine Entfeuchtung von industriell genutzten Luftströmen möglich. Weiterhin kann eine Minimierung des Wasserverbrauchs bei der Energieerzeugung oder bei wasserverbrauchenden Verfahren erreicht werden, wie sie beispielsweise bei der Bewässerung in Gewächshäusern eingesetzt werden. Es sind auch andere Anwendungen denkbar, bei denen es auf eine energieeffiziente Wassergewinnung aus einer Luftmenge ankommt.By means of the water extraction device, a stationarily operable and / or mobile water extraction from the atmosphere or from the ambient air or from an already conditioned in some way exhaust or exhaust air flow can be operated. In particular, a water extraction from the exhaust air of air conditioning or water recovery in industrial processes or dehumidification of industrial air streams is possible. Furthermore, a minimization of water consumption in power generation or in water-consuming processes can be achieved, as used for example in the irrigation in greenhouses. There are also other applications conceivable in which it depends on an energy-efficient extraction of water from an amount of air.
Es ist besonders bevorzugt, wenn der Feuchtluftstrom durch die Wassergewinnungsvorrichtung in einem Kreislauf geführt wird. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass der Feuchtluftstrom in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Hierbei wird dem Feuchtluftstrom kein zusätzlicher Luftstrom von außen zugeführt und der Feuchtluftstrom kann den geschlossenen Kreislauf nicht verlassen. Dadurch ist eine geeignete und präzise Konditionierung des Feuchtluftstroms in jedem Abschnitt innerhalb des geschlossenen Kreislaufs möglich.It is particularly preferred if the damp air flow is circulated through the water extraction device. It is possible according to the invention that the moist air flow is conducted in a closed circuit. Here, the moist air flow no additional air flow is supplied from the outside and the humid air flow can not leave the closed circuit. This allows suitable and precise conditioning of the humid air flow in each section within the closed circuit.
Alternativ ist es möglich, dass der Luftstrom in einem offenen Kreislauf geführt wird. Hierbei kann dem Feuchtluftstrom ein Luftstrom von außen zugeführt werden oder ein Teil des Feuchtluftstroms aus dem Kreislauf abgezweigt werden. Es ist ebenfalls gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens möglich, dass der Feuchtluftstrom nach einer Wassergewinnung abgeführt und ein neuer Feuchtluftstrom angesaugt wird.Alternatively, it is possible that the air flow is conducted in an open circuit. Here, the moist air flow, an air flow can be supplied from the outside or a part of the wet air flow are diverted from the circuit. It is also possible according to an embodiment of the inventive concept that the damp air flow discharged after a water extraction and a new humid air flow is sucked.
Vorzugsweise steht die erste Kondensationsstufe mit einem Erwärmungsabschnitt des Feuchtluftstroms vor der Wärmezufuhreinrichtung in wärmeleitfähiger Verbindung, wobei der Erwärmungsabschnitt des Feuchtluftstroms der Wärmezufuhreinrichtung in Strömungsrichtung vorhergeht. Bei der Kondensation von Wasser aus dem Feuchtluftstrom entsteht in der ersten Kondensationsstufe Kondensationswärme. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass bei einer Kondensation in der ersten Kondensationsstufe die bei einer Abkühlung dem Feuchtluftstrom entnommene Kondensationswärme zur erneuten Erwärmung des Feuchtluftstroms vor dessen Zuführung zu dem Sorptionselement nutzbar wird. Durch die Zuführung der entstehenden Wärme an den Erwärmungsabschnitt kann der Feuchtluftstrom vor einer nachfolgenden Durchströmung des Sorptionselements aufgeheizt werden. Folglich lässt sich zumindest ein Teil der zur Kompression und anschließenden Kondensation des Feuchtluftstroms aufgewandten Energie weiternutzen.The first condensation stage is preferably in heat-conductive connection with a heating section of the moist air flow in front of the heat supply device, wherein the heating section of the moist air flow of the heat supply device precedes in the flow direction. During the condensation of water from the moist air flow, condensation heat is generated in the first condensation stage. Conveniently, it is provided that in a condensation in the first condensation stage, the heat of condensation removed during cooling of the moist air flow for re-heating of the moist air flow before it is fed to the sorption element is available. By supplying the resulting heat to the heating section of the moist air stream can be heated before a subsequent flow through the sorption. Consequently, at least a portion of the energy used for compression and subsequent condensation of the moist air flow can continue to be used.
Optional kann ferner die erste Kondensationsstufe zusätzlich gekühlt werden, was den Kondensationsvorgang an dem Kondensator der ersten Kondensationsstufe begünstigt.Optionally, furthermore, the first condensation stage can additionally be cooled, which favors the condensation process on the condenser of the first condensation stage.
Bei dem Erwärmungsabschnitt kann es sich beispielsweise um einen Abschnitt eines Rohrs oder eines Führungskanals handeln, der von dem Feuchtluftstrom durchströmt wird. Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann die erste Kondensationsstufe mit dem Erwärmungsabschnitt unmittelbar in Verbindung stehen, bzw. der Erwärmungsabschnitt an der Kondensationsstufe vorbeigeführt oder hindurch geführt werden. Die erste Kondensationsstufe kann auch über ein wärmeleitfähiges Element mit dem Erwärmungsabschnitt wärmeleitfähig verbunden sein.By way of example, the heating section may be a section of a pipe or a guide channel through which the moist air flow passes. According to one embodiment of the inventive idea, the first condensation stage can be in direct communication with the heating section, or the heating section can be guided past or passed through the condensation stage. The first condensation stage can also be thermally conductively connected to the heating section via a thermally conductive element.
Es ist vorteilhaft, wenn die Wassergewinnungsvorrichtung eine zweite Kondensationsstufe mit einem Kondensator aufweist, wobei die zweite Kondensationsstufe so angeordnet ist, dass der Feuchtluftstrom sie in Strömungsrichtung nach der ersten Kondensationsstufe durchströmt. Durch die zweite Kondensationsstufe kann erneut Wasser aus dem Feuchtluftstrom gewonnen werden, das noch nicht von dem Kondensator der ersten Kondensationsstufe aus dem Feuchtluftstrom abgeschieden wurde. Ein weiterer Kondensationsvorgang ist deshalb möglich, weil der Feuchtluftstrom beim Erreichen der zweiten Kondensationsstufe im Vergleich zu dem Feuchtluftstrom vor der ersten Kondensationsstufe bereits merklich abgekühlt ist, was den Kondensationsvorgang begünstigt.It is advantageous if the water extraction device has a second condensation stage with a condenser, wherein the second condensation stage is arranged so that the moist air flow flows through it in the flow direction after the first condensation stage. By the second condensation stage water can be recovered from the damp air flow again, which has not yet been separated from the condenser of the first condensation stage from the moist air flow. Another condensation process is possible because the humid air flow is already noticeably cooled when reaching the second condensation stage in comparison to the damp air flow before the first condensation stage, which favors the condensation process.
Es ist erfindungsgemäß möglich, dass die zweite Kondensationsstufe eine Durchführung für einen Kühlfluidstrom zur Kühlung der zweiten Kondensationsstufe aufweist, um einen Kondensationsvorgang in der zweiten Kondensationsstufe zu unterstützen. Der Kühlfluidstrom kühlt die zweite Kondensationsstufe. Dadurch tritt auch eine weitere Kühlung des Feuchtluftstroms ein, der zwar von dem Kühlfluidstrom isoliert ist, aber über die zweite Kondensationsstufe indirekt gekühlt wird. Dies wiederum begünstigt den Kondensationsvorgang in der zweiten Kondensationsstufe. Der Kühlfluidstrom kann vorgekühlte Luft führen. Es kann sich bei der von dem Kühlfluidstrom geführten Luft jedoch auch um ungekühlte Umgebungsluft handeln, sofern die Temperatur des Feuchtluftstroms zu diesem Zeitpunkt noch höher als die Temperatur der Umgebungsluft ist. Als Kühlfluid kann auch beispielsweise Wasser oder jedes andere geeignete Wärmeträgermedium verwendet werden.It is possible according to the invention for the second condensation stage to have a passage for a cooling fluid flow for cooling the second condensation stage in order to support a condensation process in the second condensation stage. The cooling fluid stream cools the second condensation stage. As a result, a further cooling of the moist air flow occurs, which is indeed isolated from the cooling fluid flow, but is indirectly cooled via the second condensation stage. This in turn favors the condensation process in the second condensation stage. The cooling fluid flow can lead to pre-cooled air. However, the air guided by the cooling fluid stream may also be uncooled ambient air, provided that the temperature of the moist air flow at this time is even higher than the temperature of the ambient air. As a cooling fluid, for example, water or any other suitable heat transfer medium can be used.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die Wassergewinnungsvorrichtung eine Expansionsmaschine auf, die so angeordnet ist, dass der Feuchtluftstrom die Expansionsmaschine nach der zweiten Kondensationsstufe durchströmt. Hierdurch wird der Feuchtluftstrom entspannt. Es ist alternativ jedoch auch möglich, dass in der Wassergewinnungsvorrichtung keine Expansionsmaschine vorgesehen ist und der verdichtete Feuchtluftstrom auf eine andere Art und Weise wieder expandieren kann. Falls der Feuchtluftstrom nicht in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, kann der verdichtete Feuchtluftstrom nach der Wassergewinnung auch in verdichtetem Zustand aus der Wassergewinnungsvorrichtung ausgestoßen werden. According to a particular embodiment of the invention, the water extraction device on an expansion machine, which is arranged so that the moist air flow flows through the expansion machine after the second condensation stage. As a result, the moist air flow is relaxed. Alternatively, however, it is also possible that no expansion machine is provided in the water extraction device and the compressed moist air flow can expand again in a different manner. If the moist air flow is not conducted in a closed circuit, the compressed humid air flow can be ejected from the water extraction device after the water extraction, even in a compressed state.
Vorzugsweise weist die Wassergewinnungsvorrichtung eine dritte Kondensationsstufe mit einem Kondensator auf, wobei die dritte Kondensationsstufe so angeordnet ist, dass der Feuchtluftstrom sie nach der Expansionsmaschine durchströmt. Bei der Dekompression des Feuchtluftstroms kühlt sich dieser weiter zusätzlich zu der Abkühlung des Feuchtluftstroms in der ersten und in der zweiten Kondensationsstufe ab. Bei den zugehörigen Sorptionsvorgängen wurde jeweils Kondensationswärme frei, die an die erste und an die zweite Kondensationsstufe abgegeben wurde. Durch die Expansion des Feuchtluftstroms vor der dritten Kondensationsstufe steigt dessen relative Feuchtigkeit wieder an, sodass dem Feuchtluftstrom auch durch die dritte Kondensationsstufe noch in energieeffizienter Weise Wasser entzogen werden kann.Preferably, the water extraction device has a third condensation stage with a condenser, wherein the third condensation stage is arranged so that the moist air flow flows through it after the expansion machine. During the decompression of the moist air flow, this cools further in addition to the cooling of the moist air flow in the first and in the second condensation stage. In the associated Sorptionsvorgängen each heat of condensation was released, which was delivered to the first and second condensation stage. Due to the expansion of the moist air flow before the third condensation stage, its relative humidity increases again, so that the humid air flow can still be deprived of energy by the third condensation stage in an energy-efficient manner.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Wassergewinnungsvorrichtung ein Wärmeabgabeelement auf, das so angeordnet ist, dass der Feuchtluftstrom mit dem Wärmeabgabeelement erwärmt werden kann, nachdem der Feuchtluftstrom mindestens eine Kondensationsstufe durchlaufen hat. In besonders vorteilhafter Weise kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das Wärmeabgabeelement mit einem an dem Eingangsluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Sorptionselement angeordneten Wärmeaufnahmeelement wärmeleitfähig verbunden ist, das so angeordnet ist, dass der Eingangsluftstrom gekühlt und der Feuchtluftstrom erwärmt wird. Durch den Eingangsluftstrom geführtes Wasser kann umso besser durch das Sorptionselement aufgenommen werden, je niedriger die Temperatur des Eingangsluftstroms ist. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der Eingangsluftstrom gekühlt wird, bevor er das Sorptionselement durchströmt. According to a preferred embodiment of the invention, the water extraction device has a heat-emitting element which is arranged so that the moist air flow can be heated with the heat-emitting element, after the moist air flow has passed through at least one condensation stage. In a particularly advantageous manner may be additionally provided that the heat-emitting element is thermally conductively connected to a arranged on the input air flow upstream of the sorbent heat receiving element, which is arranged so that the input air flow is cooled and the moist air flow is heated. Water conducted through the inlet air flow can be absorbed better by the sorption element the lower the temperature of the inlet air flow is. Therefore, it is advantageous if the input air flow is cooled before it flows through the sorption.
Eine entsprechende Kühlung kann erfindungsgemäß durch das Wärmeabgabeelement und das Wärmeaufnahmeelement erfolgen, die erfindungsgemäß über ein wärmeleitfähiges Element miteinander verbunden sein können. Bevorzugt ist das Wärmeabgabeelement in Durchflussrichtung des Feuchtluftstroms nachfolgend zu der dritten Kondensationsstufe angeordnet.A corresponding cooling can be effected according to the invention by the heat-emitting element and the heat-absorbing element, which according to the invention can be connected to one another via a thermally conductive element. Preferably, the heat-emitting element is arranged downstream of the third condensation stage in the flow direction of the moist air flow.
Eine besonders energieeffiziente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wassergewinnungsvorrichtung kann dadurch ermöglicht werden, dass der Kompressor und die Expansionsmaschine miteinander in Wirkverbindung stehen, so dass die bei einer Expansion des verdichteten Feuchtluftstroms nutzbar werdende Expansionsenergie energieeffizient zur Verdichtung des Feuchtluftstroms mit dem Kompressor genutzt werden kann. So können beispielsweise der Kompressor und die Expansionsmaschine jeweils eine Turbinenanordnung aufweisen, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind.A particularly energy-efficient embodiment of the water extraction device according to the invention can be made possible by the fact that the compressor and the expansion machine are in operative connection, so that the expansion energy that becomes useful in an expansion of the compressed wet air flow can be used in an energy-efficient manner for compressing the moist air flow with the compressor. For example, the compressor and the expansion machine each have a turbine assembly, which are interconnected by a common shaft.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Wassergewinnung aus einem Eingangsluftstrom, wobei Wasser aus dem Eingangsluftstrom in einem Sorptionsschritt sorbiert wird, wobei das Wasser anschließend an einen Feuchtluftstrom abgegeben wird, wobei der Feuchtluftstrom vor Abgabe des Wassers an den Feuchtluftstrom in einem Erwärmungsschritt erwärmt wird, sodass die Abgabe von Wasser an den Feuchtluftstrom verbessert wird, und wobei in einem ersten Kondensationsschritt Wasser aus dem Feuchtluftstrom gewonnen wird. Erfindungsgemäß wird der Feuchtluftstrom nach Abgabe des Wassers an den Feuchtluftstrom und vor dem ersten Kondensationsschritt mit einem Kompressor verdichtet. Durch die Verdichtung wird auch eine Temperaturerhöhung des Feuchtluftstroms bewirkt, jedoch kann durch die Verdichtung die relative Feuchtigkeit des Feuchtluftstroms stark erhöht werden, sodass bei der Durchströmung der ersten Kondensationsstufe Wasser abgeschieden werden kann.The present invention further relates to a method of recovering water from an input air stream wherein water is sorbed from the input air stream in a sorption step, the water subsequently being delivered to a wet air stream, the moist air stream being heated in a heating step prior to discharging the water to the wet air stream, so that the delivery of water to the moist air flow is improved, and wherein in a first condensation step water is obtained from the damp air flow. According to the humid air stream is compressed after discharge of the water to the moist air flow and before the first condensation step with a compressor. The compression also causes a rise in the temperature of the moist air flow, but the relative humidity of the moist air flow can be greatly increased by the compression, so that water can be separated when flowing through the first condensation stage.
Vorzugsweise wird der Feuchtluftstrom dabei in einem gegebenenfalls geschlossenen Kreislauf geführt. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Feuchtluftstrom in einem offenen Kreislauf zu führen oder vor dem Sorptionsschritt anzusaugen und nach einer Wassergewinnung aus dem Feuchtluftstrom wieder abzuführen.Preferably, the moist air flow is guided in an optionally closed circuit. However, it is also possible to conduct the damp air flow in an open circuit or sucked before the sorption step and remove after a water extraction from the damp air flow again.
Es ist vorteilhaft, wenn bei dem ersten Kondensationsschritt anfallende Wärme dem Feuchtluftstrom zugeführt wird, unmittelbar bevor der Feuchtluftstrom bei dem Erwärmungsschritt erwärmt wird, sodass bei dem ersten Kondensationsschritt anfallende Wärme zur Erwärmung des Feuchtluftstroms genutzt wird.It is advantageous if heat obtained in the first condensation step is supplied to the damp air flow immediately before the moist air flow is heated in the heating step, so that heat used in the first condensation step is used to heat the moist air flow.
Es wird ferner bevorzugt, wenn aus dem Feuchtluftstrom nach dem ersten Kondensationsschritt in einem zweiten Kondensationsschritt Wasser gewonnen wird. Es ist erfindungsgemäß möglich, dass bei dem zweiten Kondensationsschritt einem dem zweiten Kondensationsschritt zugeordneten Kondensator ein Kühlfluidstrom zugeführt wird, um einen Kondensationsvorgang bei dem zweiten Kondensationsschritt zu unterstützen.It is further preferred if water is obtained from the moist air flow after the first condensation step in a second condensation step. It is possible according to the invention for a cooling fluid flow to be supplied to a capacitor assigned to the second condensation step in the second condensation step in order to assist a condensation process in the second condensation step.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird der Feuchtluftstrom nach dem zweiten Kondensationsschritt entspannt. Vorzugsweise wird aus dem Feuchtluftstrom nach der Entspannung in einem dritten Kondensationsschritt Wasser gewonnen. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltungsform des Verfahrens wird ein Wärmestrom aus dem Eingangsluftstrom entnommen und dem Feuchtluftstrom zugeführt, nachdem der Feuchtluftstrom mindestens einem Kondensationsschritt unterworfen gewesen ist, sodass der Eingangsluftstrom gekühlt und der Feuchtluftstrom erwärmt wird. Bevorzugt wird der Wärmestrom dem Feuchtluftstrom erst zugeführt, nachdem der Feuchtluftstrom dem ersten und dem zweiten Kondensationsschritt unterworfen gewesen ist. Ganz besonders bevorzugt wird der Wärmestrom dem Feuchtluftstrom erst zugeführt, nachdem der Feuchtluftstrom dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensationsschritt unterworfen gewesen ist.According to a particular embodiment of the method, the moist air stream is expanded after the second condensation step. Preferably, water is recovered from the damp air stream after expansion in a third condensation step. According to another possible embodiment of the method, a heat flow is taken from the inlet air flow and supplied to the moist air flow after the moist air flow has been subjected to at least one condensation step, so that the inlet air flow is cooled and the moist air flow is heated. Preferably, the heat flow is the moist air flow supplied only after the moist air flow has been subjected to the first and the second condensation step. Most preferably, the heat flow is the moist air flow supplied only after the damp air flow has been subjected to the first, second and third condensation step.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Feuchtluftstrom nach dem zweiten Kondensationsschritt oder gegebenenfalls nach dem dritten Kondensationsschritt abgeführt und ein neuer Feuchtluftstrom aus dem Eingangsluftstrom oder aus einem Feuchtluftstromreservoir angesaugt wird. Nach dem zweiten oder dritten Kondensationsschritt wurde dem Feuchtluftstrom bereits ein erheblicher Anteil an mitgeführtem Wasser entnommen und der Feuchtluftstrom abgekühlt, sodass der Wassergehalt in der Umgebungsluft oder in der für den Eingangsluftstrom verwendeten Abluft oder Fortluft von Luftbehandlungsanlagen höher sein kann. Ebenfalls kann die Temperatur der Umgebungsluft oder der Abluft, bzw. Fortluft höher als die Temperatur des gekühlten Feuchtluftstroms sein. In Abhängigkeit von den jeweiligen Verfahrensbedingungen kann es dann günstiger sein, die verbrauchte Feuchtluftströmung abzuführen und einen neuen Feuchtluftstrom anzusaugen, der anschließend dem Sorptionselement zugeführt und nachfolgend verdichtet wird. Der neu angesaugte Feuchtluftstrom kann vor einer Zuführung zu dem Sorptionselement zusätzlich erwärmt werden. According to an optional embodiment of the inventive concept, it is provided that the moist air flow is removed after the second condensation step or optionally after the third condensation step and a new moist air flow is sucked in from the inlet air stream or from a moist air stream reservoir. After the second or third condensation step, a considerable proportion of entrained water has already been taken from the damp air flow and the moist air flow cooled so that the water content in the ambient air or in the exhaust air or exhaust air used by the air treatment plants for the input air flow can be higher. Also, the temperature of the ambient air or the exhaust air, or exhaust air may be higher than the temperature of the cooled moist air flow. Depending on the particular process conditions, it may then be better to dissipate the spent moist air flow and to suck in a new moist air flow, which is then fed to the sorption element and subsequently compressed. The newly aspirated damp air flow can be additionally heated before being fed to the sorption element.
Das Verfahren kann mittels der vorangehend beschriebenen Wassergewinnungsvorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren kann erfindungsgemäß jedoch auch auf sonstige Weise bzw. mit anderen konstruktiven Mitteln oder Apparaten durchgeführt werden.The method can be carried out by means of the water extraction device described above. However, the method according to the invention can also be carried out in other ways or with other structural means or apparatuses.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wassergewinnungsvorrichtung, -
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs zur Wassergewinnung, -
3 eine schematische Darstellung einer abweichend zu1 ausgestalteten erfindungsgemäßen Wassergewinnungsvorrichtung, und -
4 eine schematische Darstellung einer wiederum abweichend augestalteten erfindungsgemäßen Wassergewinnungsvorrichtung.
-
1 a schematic representation of a water extraction device according to the invention, -
2 a schematic representation of a process sequence according to the invention for the production of water, -
3 a schematic representation of a deviating to1 designed water extraction device according to the invention, and -
4 a schematic representation of a turn deviating designed water extraction device according to the invention.
Der Eingangsluftstrom
Die Wassergewinnungsvorrichtung
Der Feuchtluftstrom
Die Wassergewinnungsvorrichtung
Zwischen der ersten Kondensationsstufe
Die erste Kondensationsstufe
Der zweite Führungskanal
Der zweiten Kondensationsstufe
Der Feuchtluftstrom
Der zweite Führungskanal
Schließlich wird in einem ersten Kondensationsschritt
In
In
Der derart vorgewärmte Feuchtluftstrom
Anschließend wird der Feuchtluftstrom
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1.1.
- WassergewinnungsvorrichtungWater extraction device
- 2.Second
- Erster FührungskanalFirst guide channel
- 3.Third
- EingangsluftstromInput airflow
- 4.4th
- Umgebungsluftambient air
- 5.5th
- Sorptionsradsorption
- 6.6th
- Zweiter FührungskanalSecond guide channel
- 7.7th
- FeuchtluftstromMoist air flow
- 8.8th.
- WärmezufuhreinrichtungHeat supply means
- 9.9th
- WärmeabgabeelementHeat dissipation element
- 10.10th
- Wärmeleitelementthermally conductive element
- 11.11th
- Externe WärmequelleExternal heat source
- 12.12th
- Erste KondensationsstufeFirst condensation stage
- 13.13th
- Kompressorcompressor
- 14.14th
- Erwärmungsabschnittheating section
- 15.15th
- Zweite KondensationsstufeSecond condensation stage
- 16.16th
- KühlfluidstromCooling fluid flow
- 17.17th
- Kühlkanalcooling channel
- 18.18th
- Expansionsmaschineexpander
- 19.19th
- Dritte KondensationsstufeThird condensation stage
- 20.20th
- WärmeabgabeelementHeat dissipation element
- 21.21st
- WärmetransfereinrichtungHeat transfer device
- 22.22nd
- WärmeaufnahmeelementHeat absorption element
- 23.23rd
- Sorptionsschrittsorption
- 24.24th
- Erwärmungsschrittheating step
- 25.25th
- Abgabeschrittdispensing step
- 26.26th
- Verdichtungsschrittcompaction step
- 27.27th
- Erster KondensationsschrittFirst condensation step
- 27'.27 '.
- Zweiter KondensationsschrittSecond condensation step
- 27".27 ".
- Dritter KondensationsschrittThird condensation step
- 28.28th
- Kühleinrichtungcooling device
- 29.29th
- Wellewave
- 30.30th
- FeuchtluftreservoirMoist air reservoir
- 31.31st
- RieselsorptionsanlageRieselsorptionsanlage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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